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类型基于FPGA高精度数字频率计的设计.doc

  • 上传人:精品资料
  • 文档编号:10833012
  • 上传时间:2020-01-13
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    基于FPGA高精度数字频率计的设计.doc
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    1、开展本课题的意义及工作内容:在电子工程,资源勘探,仪器仪表等相关应用中,频率计是工程技术人员必不可少的测量工具,频率测量也是电子领域里的一项重要内容,而高精度频率计的应用尤为广泛,不少物理的测量,如转速、振动频率等测量都涉及到或可以转化为频率的测量,多功能频率计设计的完成可以实现。采用了在 FPGA 芯片上实现高精度频率计的设计原理和具体的 VHDL 语言编程思路。一、课题工作的总体安排及进度:第一周:根据论题内容查找有关资料,做好毕业设计的前期工作,并与指导老师讨论相关设计相关计划,便于今后更好进行,写好开题报告第二周至第七周:软件的设计,撰写论文安排如下:2 月下旬对 VHDL 语言进一步

    2、加强巩固,为更好地编写程序;3 月份主要工作在于软件设计和进行实验验证结果;3 月下旬至 4 月上旬进行论文撰写及修改的完成第八周:准备答辩学生应具备的条件具有 EDA 专业知识,并有分析问题的能力和了解频率计的构造原理,Max Plus的使用主要研究内容目标特色1完成以 FPGA 芯片为核心,采用硬件描述语言来设计数字频率计2. 根据个人设计项目,系统分析各模块后编写程序,完成在 FPGA 芯片上的调试并最终完成设计论文的撰写。3. 完成数字频率计的设计,采用模块法进行一一分析且仿真4. 运用 Max Plus编写程序,并进行波形仿真和在 FPGA 芯片上调试且优化程序5.根据设计要求进行综

    3、合调试,并最终完成设计任务和论文的撰写成果描述设计一个能够将所测频率分为六档进行自动换档的数字频率计,且高位显示档位,并有秒表功能。第0档:a10 0;第1档:a10 1;第2档:a10 2;第3档:a10 3;第4档:a10 4;第5档:a10 5(基本单位:HZ,a:读数)。成果价值频率计是工程技术人员必不可少的测量工具,也是电子领域里的一项重要内容而高精度频率计的应用尤为广泛,不少物理的测量,如转速、振动频率等测量都涉及到或可以转化为频率的测量,多功能频率计设计的完成可以实现。二、课题预期达到的效果:所测频率可以进行自动换档的数字频率计,且高位显示档位,并有秒表功能。第0档:a10 0;

    4、第1档:a10 1;第2档:a10 2;第3档:a10 3;第4档:a10 4;第5档:a10 5(基本单位:HZ,a:读数)二、文献综述20世纪末,数字电子技术得到了飞速发展,有力地推动和促进了社会生产力的发展和社会信息化的提高,数字电子技术的应用已经渗透到人类生活的各个方面。从计算机到手机,从数字电话到数字电视,从家用电器到军用设备,从工业自动化到航天技术,都尽可能采用了数字电子技术。现代电子设计技术的核心是EDA技术。EDA 技术就是以计算机为工具,在 EDA软件平台上,对硬件语言HDL 为系统逻辑描述手段完成的设计文件,自动的完成逻辑编译、逻辑化简、逻辑综合及优化、逻辑仿真,直至对特定

    5、目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作(文本选用的开发工具为Altera公司的MAX+PLUSII ) 。 EDA的仿真测试技术只需要通过计算机就能对所设计的电子系统从各种不同层次的系统性能特点完成一系列准确的测试与仿真操作,大大提高了大规模系统电子设计的自动化程度。设计者的工作仅限于利用软件方式,即利用硬件描述语言(如VHDL)来完成对系统硬件功能的描述。EDA技术使实现,极大地提高了设计效率,缩短了设计周期,节省了设计成本。今天EDA技术已经成为电子设计的重要工具,无论是设计芯片还是设计系统,如果没有EDA工具的支持,都将是难以完成的。EDA工具已经成为现代电路设计工程师的重要武器,

    6、正在发挥越来越重要的作用。为了提高自身的实践能力与专业知识应用能力,为了更快地与社会实际和社会需要接轨,这次毕业设计我选择了以EDA技术为方向,设计数字频率计,在所参考的文献中,都包含了这一技术。相信通过此次毕业设计将为我更全面更系统更深入地掌握EDA技术打下良好的基础。EDA发展历程EDA技术伴随着计算机、集成电路、电子系统设计的发展,经历了三个发展阶段,即:20世纪70年代发展起来的CAD技术;0世纪80年代开始应用的CAE技术;20世纪90年代后期,出现的以硬件描述语言、系统级仿真和综合技术为特征的EDA技术,这时的EDA工具不仅具有电子系统设计的能力,而且能提供独立于工艺和厂家的系统级

    7、设计能力,具有高级抽象的设计构思手段。 EDA技术涉及面广,内容丰富,从教学和实用的角度看,主要有以下四个方面内容:(1)大规模可编程逻辑器件;(2)硬件描述语言;(3)软件开发工具;(4)实验开发系统。其中,大规模可编程逻辑器件是利用EDA技术进行电子系统设计的载体;硬件描述语言是利用EDA技术进行电子系统设计的主要表达手段;软件开发工具是利用EDA技术进行电子系统设计的智能化、自动化设计工具;实验开发系统是利用EDA技术进行电子系统设计的下载工具及硬件验证工具。随着现代半导体的精密加工技术发展到深亚微米(0.180.35um)阶段,基于大规模或超大规模集成电路技术的定制或半定制ASIC(A

    8、pplication Specific IC即专用集成电路)器件大量涌现并获得广泛的应用,使整个电子技术与产品的面貌发生了深刻的变化,极大地推动了社会信息化的发展进程。而支撑这一发展进程的主要基础之一,就是EDA技术。 可编程逻辑器件 可编程逻辑器件是近几年才发展起来的一种新型集成电路,是当前数字系统设计的主要硬件基础,是硬件编程语言 HDL 物理实现工具。可编程逻辑器件对数字系统设计自动化起着推波助澜的作用,可以说,没有可编程逻辑器件就没有当前的数字电路自动化。目前,由于这种以可编程逻辑器件为原材料从“制造自主芯片”开始的 EDA 设计模式己成为当前数字系统设计的主流,若要追赶世界最先进的数

    9、字系统设计方法,就要认识并使用可编程逻辑器件。 数字集成电路本身在不断地进行更新换代。它由早期的电子管、晶体管、小中规模集成电路、发展到超大规模集成电路(VLSIC,几万门以上)以及许多具有特定功能的专用集成电路。但是,随着微电子技术的发展,设计与制造集成电路的任务已不完全由半导体厂商来独立承担。系统设计师们更愿意自己设计专用集成电路(ASIC)芯片,而且希望 ASIC 的设计周期尽可能短,最好是在实验室里就能设计出合适的 ASIC 芯片,并且立即投入实际应用之中,因而出现了现场可编程逻辑器件(FPLD),其中应用最广泛的当属现场可编程门阵列(FPGA)和复杂可编程逻辑器件(CPLD)。 可编

    10、程逻辑器件正处于高速发展的阶段。新型的 FPGA/CPLD 规模越来越大,成本越来越低。高性价比使可编程逻辑器件在硬件设计领域扮演着日益重要的角色。低端 CPLD 已经逐步取代了 74 系列等传统的数字元件,高端的 FPGA 也在不断地夺取 ASIC 的市场份额,特别是目前大规模 FPGA 多数支持可编程片上系统(SOPC),与 CPU 或 DSP Core 的有机结合使 FPGA 已经不仅仅是传统的硬件电路设计手段,而逐步升华为系统级实现工具。 基于 EDA 技术的数字系统层次化设计方法 EDA(Electronics Design Automation)技术的出现使数字系统的分析与设计方法

    11、发生了根本的变化,采用的基本设计方法主要有三种:直接设计、自顶向下(Top-to-Down)设计、自底向上(Buttom-to-Up)设计。直接设计就是将设计看成一个整体,将其设计成为一个单电路模块,它适合小型简单的设计。而一些功能较复杂的大型数字逻辑系统设计适合自顶向下或自底向上的设计方法。自顶向下的设计方法就是从设计的总体要求入手,自顶向下地将设计划分为不同的功能子模块,每个模块完成特定的功能,这种设计方法首先确定顶层模块的设计,再进行子模块的详细设计,而在子模块的设计中可以调用库中已有的模块或设计过程中保留下来的实例。自底向上的设计方法与自顶向下的设计方法恰恰相反。 在数字系统的 EDA

    12、 设计中往往采用层次化的设计方法,分模块、分层次地进行设计描述。描述系统总功能的设计为顶层设计,描述系统中较小单元的设计为底层设计。整个设计过程可理解为从硬件的顶层抽象描述向最底层结构描述的一系列转换过程,直到最后得到可实现的硬件单元描述为止。层次化设计方法比较自由,既可采用自顶向下的设计也可采用自底向上设计,可在任何层次使用原理图输入和硬件描述语言 HDL 设计。 现代数字系统的设计方法一般都是自顶向下(Top-to-Down)的层次化设计方法,即从整个系统的整体要求出发,自上而下地逐步将系统设计内容细化,即把整个系统分割为若干功能模块,最后完成整个系统的设计。在电子设计领域,自顶向下的层次

    13、化设计方法,只有在 EDA 技术得到快速发展和成熟应用的今天才成为可能,自顶向下的层次化设计方法的有效应用必须基于功能强大的 EDA 工具,具备集系统描述、行为描述和结构描述功能为一体的硬件描述语言 HDL,以及先进的 ASIC 制造工艺和 CPLD/FPGA 开发技术。当今,自顶向下的层次化设计方法已经是 EDA 技术的首选设计方法,是 CPLD/FPGA 开发的主要设计手段。 EDA 技术的未来从目前的 EDA 技术来看,其发展趋势是政府重视、使用普及、应用广泛、工具多样、软件功能强大。中国 EDA 市场已渐趋成熟,不过大部分设计工程师面向的是 PCB 制板和小型 ASIC 领域,仅有小部

    14、分(约 11%)的设计人员开发复杂的片上系统器件。为了与台湾地区和美国的设计工程师形成更有力的竞争,中国的设计队伍有必要引进和学习一些最新的 EDA 技术。 在信息通信领域,要优先发展高速宽带信息网、深亚微米集成电路、新型元器件、计算机及软件技术、第三代移动通信技术、信息管理、信息安全技术,积极开拓以数字技术、网络技术为基础的新一代信息产品,发展新兴产业,培育新的经济增长点。要大力推进制造业信息化,积极开展计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助工程(CAE)、计算机辅助工艺(CAPP)、计算机辅助制造(CAM)、产品数据管理(PDM)、制造资源计划(MRPII)及企业资源管理(ERP)等。有条件

    15、的企业可开展“网络制造”,便于合作设计、合作制造,参与国内和国际竞争。开展“数控化”工程和“数字化”工程。自动化仪表的技术、发展趋势的测试技术、控制技术与计算机技术、通信技术进一步融合,形成测量、控制、通信与计算机(M3C)结构。在 ASIC 和 PLD 设计方面,向超高速、高密度、低功耗、低电压方面发展。外设技术与 EDA 工程相结合的市场前景看好,如组合超大屏幕的相关连接,多屏幕技术也有所发展。 中国 1995 年以来加速开发半导体产业,先后建立了几所设计中心,推动系列设计活动以应对亚太地区其它 EDA 市场的竞争。在 EDA 软件开发方面,目前主要集中在美国。但各国也正在努力开发相应的工

    16、具。日本、韩国都有 ASIC 设计工具,但不对外开放。中国华大集成电路设计中心,也提供 IC设计软件,但性能不是很强。相信在不久的将来会有更多更好的设计工具在各地开花结果。据最新统计显示,中国和印度正在成为电子设计自动化领域发展最快的两个市场,年增长率分别达到了 50%和30%。 结束语 EDA 技术为现代数字系统理论和设计的表达与应用提供了可能性,它已不是某一学科的分支,而是一门综合性学科。EDA 技术打破了计算机软件与硬件间的壁垒,使计算机的软件技术与硬件实现、设计效率和产品性能合二为一,它代表了数字电子设计技术和应用技术的发展方向。 21 世纪将是 EDA 技术的高速发展时期,并着眼于数

    17、字逻辑向模拟电路和数模混合电路的方向发展。EDA 将会超越电子设计的范畴进入其他领域,随着基于 EDA 的 SOC 设计技术的发展、软硬核功能库的建立、IP 核复用,以及基于 HDL 的自顶向下的设计理念的确立,未来的电子系统级设计(ESL)将不再是电子工程师们的专利。1、 简述毕业设计开始以来所做的具体工作和取得的进展或成果具体工作如下:(1)从毕业设计开始,根据所设计的项目,通过上网、图书馆等途径进行资料的收集和整理,对所得的资料进行详细地阅读和充分地理解,并确定了设计的总体框架和各模块组成。(2)根据个人设计项目,构思总体方案,然后再对各个模块进行分析。(3)了解各个功能模块可以实现的方

    18、案与途径,再对各个方案进行优缺点比较并确定最后的方案。(4)先用 MAXPLUS软件对各模块的波形仿真后,再用模块法进行整体的调试,通过编译后将其下载到 FPGA 芯片上,最后连接好各管脚,根据要求进行调试,使设计结果满足要求。(5)根据设计要求利用 MAXPLUS编写、调试和优化程序,根据功能要求对其进行修改,直至达到要求能实现所需的功能。2、 目前存在问题,下一步的主要研究任务,具体设想与安排程序调试可行,各模块设计的电路也可以实现其功能,目前存在的问题就是设计的系统有时会不稳定,还有读取的数值反应很慢,不能及时获取,这就要求我们提高系统的稳定性和抗干扰性,并实现如何使理论与实际相结合起来

    19、进行综合调试,使设计能实现其相应的功能。【摘要】 介绍一种以FPGA( Field Programmable Gate Array) 为核心,基于硬件描述语言VHDL的数字频率计设计与实现,采用模 块化单元构建系统,进行数字 频率计设计与开发的新方法。数字 频率计是一种基本的测量仪器,它被广泛 应用与航天、 电子、测控等领域。它的基本测量原理是,首先通过分频器得到1Hz的时钟,然后用计数器 计数信号在1S中里的脉冲个数,把标准时间内的计数的结果,用锁存器锁存起来,最后用显示译码器,把锁存的结果用数码管显示出来。引言 (1)设计任务 (2) 总体方案论证与比较 (2) EDA及硬件描述语言介绍

    20、(2)3.1 EDA 技术和VHDL语言的特点 (2)3.2 FPGA芯片和EPF10K10LC84-4N简单介绍 (3)3.3 MAXPLUS软件介绍 (3) 4 频率计的设计原理 (5) 5 频率计的模块设计 (7) 5.1 计数模块 (7)5.2 分频模块 (8)5.3 档位模块 (9)5.4 锁存模块. (10)5.5 数码管显示译码模块 (11)6 系统调试 (11)7 误差分析. (12)8 结束语. (14)致谢语. (14) 参考文献. (14) 引 言本文介绍了在FPGA芯片上实现高精度频率计的设计原理和具体的VHDL语言编程思路。现场可编程门阵列的出现给现代电子设计带来了极

    21、大的方便和灵活性,使复杂的数字电子系统设计变为芯片级设计,该系统具有稳定可靠、抗干扰能力强和现场可编程等优点,同时还可以很方便地对设计进行在线修改。相对于传统的系统电路设计方法,EDA技术可采用硬件描述语言来描述电路系统,而VHDL语言则具有多层次描述系统硬件功能的能力,而且能支持自顶向下的设计,在电子工程领域,已成为事实上的通用硬件描述语言,这使得设计者可以不必了解硬件结构。通过编译后最终下载到具体的FPGA器件中去,本设计采用的是 EPF10K10LC84-4N这系列器件,从而实现可编程逻辑器件的设计。频率测量是电子测量技术中最基本最常见的测量之一,不少物理量的测量, 如转速、振动频率等的

    22、测量都涉及到或可以转化为频率的测量,数字频率计是数字电路中的一个典型应用,但实际的硬件设计用到的器件较多,连线比较复杂,而且会产生比较大的延时,从而造成测量误差和可靠性都比较差。而随着复杂可编程逻辑器件的广泛应用,以EDA技术进行开发并运用VHDL语言,将使整个系统大大简化,同时可大大提高系统的整体性能和可靠性。1 设计任务设计一个能够将所测频率分为六档进行自动换档的数字频率计,且高位显示档位,并有秒表功能。第0档:a10 0;第1档:a10 1;第2档:a10 2;第3档:a10 3;第4档:a10 4;第5档:a10 5(基本单位:HZ,a:读数)。2 总体方案论证与比较方案1:采用中小规

    23、模数字电路构成频率计,由计数器构成主要的测量模块,用定时器组成主要的控制电路。电路框图如图2-1 所示。此方案软件设计简单,但外围芯片过多,且频带窄,实现起来较复杂,功能不强,而且不能程控和扩展。被测信号 比较器 量程选择 计数器定时控制模型键盘显示图3-1 方案1 电路框图方案2:采用大规模现场可编程逻辑器件实现数字频率计并用模块法完成。大规模现场可编程器件采用ALTERA公司生产的EPF10K10LC84-4N实现,其特点是结构简单,功能较强。比较:方案1 采用中小规模集成电路来实现,系统电路较复杂,扩展性能差。方案2用可编程逻辑器件实现大部分硬件电路的功能,并且调试简单。故采用方案2。3

    24、 EDA及硬件描述语言介绍3.1 EDA 技术和VHDL语言的特点EDA( Electronic Design Automation电子设计自动化)代表了当今电子设计技术的最新发展方向, 它的基本MAXPLUS 特征是:设计人员按照“自顶向下”( Top Down) 的设计方法, 对整个系统进行方案设计和功能划分,系统的关键电路用一片或几片专用集成电路( ASIC) 实现,然后采用硬件描述语言HDL ( Hardware Description Language硬件描述语言)完成系统行为级设计,最后通过综合器和适配器生成最终目标器件 9。FPGA可以通过软件编程对目标器件的结构和工作方式进行重

    25、构 ,能随时对设计进行调整,具有集成度高、结构灵活、开发周期短、快速可靠性高等特点, 数字设计在其中快速发展,应用这种技术可使设计过程大大简化软件全部采用,VHDL语言进行编写。据统计,目前发达国家在电子产品开发中EDA 工具的利用率已达50% 4,而大部分的ASIC和FPGA 已采用HDL设计。EDA技术以 VHDL高层次综合能力为特点,支持不同领域A行为、结构、几何B中各种层次A从系统级直至开关级B的设计描述和自顶向下以及自底向上等设计方法。由于VHDL 已成为IEEE准,目前的EDA工具可以使ASIC 系统行为、功能、算法的VHDL 描述直接综合生成FPGA 器件,因此可以使设计者将精力

    26、集中于设计构思,从而提高设计效率,同时也利于设计的分交流和重用。VHDL语言最大的特点是描述能力极强,可以覆盖逻辑设计的诸多领域和层次, 并支持众多的硬件模型。其特点包括:( 1) 设计技术齐全, 方法灵活, 支持广泛;( 2) 系统硬件描述能力强;( 3) VHDL 语言可以与工艺无关地进行编程;( 4) VHDL 语言标准、规范, 易于共享和重用。3.2 FPGA芯片和EPF10K10LC84-4N简单介绍 (1) FPGA简介FPGA (Field Programmable Gate Array)即现场可编程逻辑阵列,是大规模可编程集成电路的主流器件 6。 FPGA一般由三种可编程电路和

    27、一个用于存放编程数据的 SRAM(静态随机存储器)组成,这三种可编程电路是:可编程逻辑阵列 LAB(LogicArrayBlock)、输人输出模块和互连资源(IntereonnectResource)。它是在PAL、GAL、EPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的,既解决了定制电路的不足,又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。FPGA器件及其开发系统是开发大规模数字集成电路的新技术,这利用计算机辅助设计,绘制出实现用户逻辑的原理图、编辑布尔方程或用硬件描述语言等方式作为设计输入;然后经一系列转换程序、自动布局布线、模拟仿真

    28、的过程;最后生成配置FPGA器件的数据文件,对FPGA器件初始化 14。这样就实现了满足用户要求的专用集成电路,真正达到了用户自行设计、自行研制和自行生产集成电路的目的。FPGA有多种配置模式:并行主模式为一片FPGA加一片EPROM的方式;主从模式可以支持一片PROM编程多片FPGA;串行模式可以采用串行PROM编程FPGA;外设模式可以将FPGA作为微处理器的外设,由微处理器对其编程。概括地说,FPGA器件具有下列优点:高密度、高速率、系列化、标准化、小型化、多功能、低功耗、低成本,设计灵活方便,可无限次反复编程,并可现场模拟调试验证。(2) EPF10K10LC84-4N介绍 可编程器件

    29、EPF10K10LC84-4实现IIC总线的通讯接口的基本原理,并给出了部分的VHDL语言描述。该通讯接口与专用的接口芯片相比,具有使用灵活、系统配置方便的特点。 关键词:IIC总线 CPLD VHDL ISPIIC总线是PHILIPS公司开发的一种简单、双向、二线制、同步串行总线。它只需两根线(串行时钟线和串行数据线)即可在连接于总线上的器件之间传送信息 12。该总线是高性能串行总线,具备多主机系统所需要的裁决和高低速设备同步等功能,应用极为广泛。目前市场上虽然有专用IIC总线接口芯片,但是地址可选范围小、性能指标固定、功能单一、使用不方便。根据IIC总线的电气特性及其通讯协议,采用ALTE

    30、RA公司的FLEX10K系列ISP器件EPF10K10LC84-4可以方便地实现IIC总线的通讯接口,且具有高速、易调试、可以灵活地实现地在线配置等优点,同时大大地减少了系统的开发周期。IIC总线的数据传输规范IIC总线主从机之间的一次数据传送称为一帧,由启动信号、地址码、若干数据字节、应答位以及停止信号等组成。通讯启动时,主动发送一个启动信号(当SCL线上是高电平时,SDA线上产生一个下降沿) 、从机的地址码(8位)和读写信号;通讯停止时,主机发送一个停止信号(当SCL线上是高电平时,SDA线上产生一个上升沿) 。 8在数据传送过程中,当SCL线上是高电平时,必须保证SDA线上的数据稳定;传

    31、送一个字节的数据,必须由接收机发一个应答信号。总线的传输码速率为100kbps(标准)400kbps(高速) 。采用+5V电源供电时,输入电平规定为:VILmax=1.5V,VIHmin=3V;采用宽电源电压时,电平规定为:VILmax=1.5VDD,VIHmin=3VDD 10。 3.3 MAXPLUS软件介绍 (1) MAXPLUS的概述Max+plus是 Altera 公司提供的 FPGA/CPLD 开发集成环境,Altera 是世界上最大可编程逻辑器件的供应商之一。Max+plus界面友好,使用便捷,被誉为业界最易用易学的 EDA 软件 15。在Max+plus上可以完成设计输入、元件

    32、适配、时序仿真和功能仿真、编程下载整个流程,它提供了一种与结构无关的设计环境,是设计者能方便地进行设计输入、快速处理和器件编程。Max+plus开发系统的特点: 开放的界面Max+plus支持与 Cadence,Exemplarlogic,Mentor Graphics,Synplicty,Viewlogic 和其它公司所提供的 EDA 工具接口。 10 与结构无关Max+plus系统的核心 Complier 支持 Altera 公司的FLEX10K、FLEX8000、FLEX6000、MAX9000、MAX7000、MAX5000 和 Classic 可编程逻辑器件,提供了世界上唯一真正与结

    33、构无关的可编程逻辑设计环境 13。完全集成化Max+plus的设计输入、处理与较验功能全部集成在统一的开发环境下,这样可以加快动态调试、缩短开发周期。 丰富的设计库Max+plus提供丰富的库单元供设计者调用,其中包括 74 系列的全部器件和多种特殊的逻辑功能(Macro-Function)以及新型的参数化的兆功能(Mage-Function)。 模块化工具设计人员可以从各种设计输入、处理和较验选项中进行选择从而使设计环境用户化。 硬件描述语言(HDL)Max+plus软件支持各种 HDL 设计输入选项,包括 VHDL、Verilog HDL 和 Altera 自己的硬件描述语言 AHDL。(

    34、2) MAXPLUS的应用 原理图输入(Graphic Editor)MAX+PLUSII 软件具有图形输入能力 ,用户可以方便的使用图形编辑器输入电路图 ,图中的元器件可以调用元件库中元器件,除调用库中的元件以外,还可以调用该软件中的符号功能形成的功能块.图形编辑器窗口见图(一)。 硬件描述语言输入(Text Editor)MAX+PLUSII 软件中有一个集成的文本编辑器 ,该编辑器支持 VHDL,AHDL 和 Verilog 硬件描述语言的输入,同时还有一个语言模板使输入程序语言更加方便,该软件可以对这些程序语言进行编译并形成可以下载配置数据。 5 波形编辑器(aveform Edito

    35、r)在进行逻辑电路的行为仿真时,需要在所设计电路的输入端加入一定的波形,波形编辑器可以生成和编辑仿真用的波形(*.SCF 文件),使用该编辑器的工具条可以容易方便的生成波形和编辑波形。使用时只要将欲输入波形的时间段用鼠标涂黑,然后选择工具条中的按钮,例如,如果要某一时间段为高电平,只需选择按钮 ”1”。还可以使用输入的波形(*.WDF 文件) 经过编译生成逻辑功能块,相当于已知一个芯片的输入输出波形,但不知是何种芯片,使用该软件功能可以解决这个问题,设计出一个输入和输出波形相同CPLD 电路。 管脚(底层)编辑窗口(Floorplan Editor)该窗口用于将已设计好逻辑电路的输入输出节点赋

    36、予实际芯片的引脚,通过鼠标的拖拉,方便的定义管脚的功能。 编程文件的产生编译器中的装配程序(Assembler)将编译好的程序创建一个或多个编程目标文件:EPROM 配置文件( *.POF)例如,MAX7000系列SRAM 文件(*.SCF)例如,FLEX8000 系列的配置芯片 EPROM十六进制文件(*.HEX)文本文件(*.TTF) 仿真当设计文件被编译好,并在波形编辑器中将输入波形编辑完毕后,就可以进行行为仿真了,通过仿真可以检验设计的逻辑关系是否准确.4 频率计的设计原理(1) 测频原理众所周知, 所谓“频率”就是周期性信号在单位时间1S内变化的次数,若在一定时间间隔T内测得这个周期

    37、性信号的重复变化次数N, 则其频率可表示为:f=N/T。数字频率计测频率的原理框图可如图4-1-1所示。其中脉冲形成电路的作用是:将被测信号变成脉冲信号, 其重复频率等于被测频率fx。时间基准信号发生器提供标准的时间脉冲信号、若其周期为1s。则门控电路的输出信号持续时间亦准确地等于1s,闸门电路由标准秒信号进行控制。当秒信号来到时闸门开通,被测脉冲信号通过闸门送到计数译码显示电路;秒信号结束时闸门关闭, 计数器停止计数。由于计数器计得的脉冲数N是在1秒时间内的累计数, 所以被测频率为NHz。目前, 有几种常用的数字频率测量方法,介绍如下: 直接测频法直接测频法是将被测信号整形后加到闸门的一个输

    38、入端,在闸门开通的时间(T)内,被测信号的脉冲被送计数器进行计数。设计数器记得的值为N,由频率计算式可得被测信号频率为f = N/T 2。分析可知,本方法在频率较低时误差较大。增大T 可以提高测量精度,但仍难以满足题目发挥部分的要求。图4-1-1 数字频率计系统原理方框图 组合法被测信号频率较低时,通过直接测量周期可提高精度。因此,当被测信号频率较高时采用直接测频,而当被测信号频率较低时采用先测量周期,然后换算成频率的方法,就称为组合测量法。测频与测周时误差相等时对应的频率即为中介频率,它成为测频与测周的分水岭。这种方法可在一定程度上弥补方(1)的不足,提高测量精度。 倍频法由于直接测频法在被

    39、测信号频率较高时测量精度高,故可以将被测信号分为几个频段,在不同的频段采用不同的倍频系数,将低频信号转化成高频信号,从而提高测量精度。这种方法即为倍频法。 高精度恒误差测量法根据高精度恒误差测量法的原理,具有如下的测频方案。电路原理见图4-1-2电路中,预置门控信号控制计数的时间,可由计数器实现,CNT1 和CNT2 是两个可控计数器,标准信号从CNT1 的时钟输入端CLK1 输入,设其频率为Fs ,被测信号经过整形后从CNT2的CLK端输入,设其频率为Fx ,测量值为Fxe 。预置门控信号为高电平时,经整形后的被测信号的上升沿通过D 触发器后,输出Q 端启动两计数器同时进行计数,当预置门控信

    40、号为低电平时,经整形后的被测信号的一个上升沿使两计数器同时停止计数。设在一次记数过程中,对标准信号计数值为Ns ,被测信号计数值为Nx ,则存在以下关系:Fx / Nx = Fs / Ns即: Fx =( Fs / Ns )* Nx相对误差公式为 = 2 / N + F / F2从相对误差公式中分析可知,其测量精度与被测信号无关,只与标准信号频率精度有关。显然, Ns 决定于预置门时间 Ts 和标准信号源的频率,其关系如下:NS = Ts * Fs如果采用频率为1MHz 的标准信号源,则有 S 1/ N若预置门时间 Ts取0.1 秒,则NS =0.1100000 =10000, 110 -4可

    41、见,在整个测量范围内,精度可达到题目要求,若采用更高频率的信号源或适当延迟预置门时间,则可达到更高的测量精度。本设计就采用高精度恒误差测量法。图4-1-2 高精度恒误差测量法框图(2 设计原理本设计系统正常工作时, 可测试0999MHz的频率,设计主要由分频模块、控制模块、计数模块、锁存模块等几个模块组成。被测信号接入计数器的输入端SIG, 用5MHz 时钟通过CLK 端口输入, 经过分频器分频为1Hz工作频率提供给测频器, 再用测频器SHIXU 测频, SHIXU 的计数使能信号Q能产生一个1秒脉宽的周期信号, 并对频率计中的计数器COUTN1 的Q 使能端进行同步控制。当Q 高电平时允许计

    42、数;低电平时停止计数, 并保持其所计的脉冲数。在停止计数期间, 首先需要一个锁存信号UP的上升沿将计数器在前一秒钟的计数值锁存进锁存器LOCK1 中,当sig的频率高出或低于某个量程, lock模块会根据具体的值选择相应合适的量程( 本设计共可分为六个量程) ,再由chose选择具体的通路, 由display实现动态扫描显示, 扫描显示模块有sele控制七段数码管的片选信号, 中间锁存保存的BCD 码数据动态扫描译码, 以十进制形式显示。以上的个功能模块都是在EPF10K10LC84-4N这芯片中运行, 用VHDL予以实现的, 较之以往的传统型电路更为简单, 更易于实现频率计的小型化、微型化甚

    43、至芯片化设计。信号从被测信号输入处输入到波形整形电路后, 经过FPGA 算法处理, 再由数字显示部分输出。在数字显示部分根据不同的档位,读出相应的结果,并加上秒表显示输出。设置锁存器的好处是数据显示稳定,不会由于周期性的清零而不断闪烁。锁存信号后, 必须有一清零信号CLR 对计数器清零, 为下一秒的计数操作作准备。5 频率计的模块设计数字频率计的各模块总连结框图如图5-1所示。图5-1 各模块总连接图5.1 计数模块(1) 计数器功能 计数器的作用是对输入脉冲计数,此计数器的特殊之处是, 有一时钟使能输入端Q,用于锁定计数值,当高电平时计数允许, 低电平时计数禁止。(2) 原件符号图及仿真波形

    44、图 计数模块的模块图如图5-1-2所示,可以定义输入、输出信号如下:Q:计数使能信号,当Q为高电平时则开始计数,为低电平时则停止CLR:复位信号SIG:被测频率输入端HP:计数输出端图5-1-1 计数模块图 计数模块仿真仿真波形图如图5-1-2所示,从图中可以看出:当有一被测频率且 Q为高电平时,计数开始直到变为低电平为止,当CLK为1时,计数器清零。图5-1-2 计数模块的仿真波形图5.2 分频模块 (1) 分频器功能 在数字电路中,分频的原理也无非就是计数,分频器其实就是个计数器。想得到多少分频只要将该计数器的模取为该数值就行了,所以分频器的设计与计数器大同小异。当系统正常工作时,系统时钟

    45、经分频模块分频得到1Hz的时钟, 作为频率测量控制电路的输人信号,完成在1s的时间里对被测信号进行计数。(2) 原件符号图及仿真波形图 分频模块的模块图如图5-2-1所示,由图可以定义输入、输出信号如下:CLK:系统输入时钟,5MHzCOUNT:分频输出时钟信号,1Hz图5-2-1 分频模块图 分频模块仿真仿真波形图如图5-2-1所示,从图中可以看出:当时钟信号还没到达时,不会翻转直到为 5MHz后才翻转一次,即为1Hz,因为频率太大,图中只有部分显示。图5-2-1 分频模块的波形仿真图5.3 档位模块 (1) 档位模块的输入、输出信号的定义图5-3-1 档位模块图档位模块的模块图如图5-3-1所示,由图可以得

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